CN110245434A - Miha纯气动操作条件下氢气传输调控模型建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及MIHA纯气动操作条件下氢气传输调控模型建模方法,考虑了两种输氢机制对氢气传输量的影响,建立的模型综合反映了反应器结构、体系物性、操作参数等对氢气传输的影响,可用于预测氢气传输量随反应器设计参数的变化,有利于MIHA反应器的设计和放大。
Description
技术领域
本发明属于反应器、建模技术领域,具体涉及MIHA纯气动操作条件下氢气传输调控模型建模方法。
背景技术
氢气泡在渣油体系停留时间内,氢气传输量是决定渣油反应效率的关键参数。氢气在渣油中的传输一般认为由亨利定律和菲克定律共同决定,但渣油加氢反应器微界面体系中氢气的传输过程尚未见报导,因此需建立分析渣油加氢反应器内的氢气传输模型,从而实现对MIHA反应器设计及MIHA的反应体系设计的指导。
发明内容
本发明的目的在于提供MIHA纯气动操作条件下氢气传输调控模型建模方法,以研究反应器结构、体系物性以及操作参数对氢气传输的影响,从而实现对MIHA反应器设计及MIHA的反应体系设计的指导。
MIHA微气泡形成可采用三种方式,即:纯液动、纯气动以及气液联动。纯液动和纯气动操作条件下,体系运行以及微气泡形成所需能量完全由液体机械能或气体静压能提供;气液联动操作条件下,气体静压能和液体机械能同时提供体系运行及微气泡形成所需能量。本发明探讨了纯气动操作条件下氢气传输调控模型建模方法。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种MIHA纯气动操作条件下氢气传输调控模型建模方法,包括如下步骤:
(1)分析MIHA纯气动操作条件下渣油加氢反应体系中氢气传输的影响参数;
假定在渣油加氢反应体系中,渣油的主要成分为含硫沥青质,其反应速率和转化率由体系液相中氢分子总传输量NT决定;基于压力传输和界面传输两种机制确定氢气在反应器内的质量传递;
NT=Na+Np(3)
其中Na为界面传输量,mol;Np为压力传输量,mol;
(2)获取基于界面传输的氢气质量传递;
假定体系中氢气气泡大小均一,且通过相界面的传输速率相同,那么,通过气液相界面所传输的氢分子总量Na由体系中稳定存在的气泡总数量n0、及渣油在反应器内的平均停留时间te所决定,如方程(2)所示:
通过对渣油在反应器内的运动过程分析,渣油平均停留时间te表示为:
其中,VL为渣油液相主体体积,m3;QL为新鲜渣油流量,m3/s;
VL由氢气-渣油两相相对运动决定,通过对气液两相运动的分析后得:
H0为反应器高度,m;S0为反应器横截面积,m2;v32为气泡上升速度,m/s;
将式(4)代入式(3)得:
体系中稳定存在的气泡总数量n0由气体体积守恒及气泡运动分析得到,即:
其中QG为氢气流量,m3/s;d32为气泡Sauter平均直径,m;v32为气泡上升速度,m/s;
相界面的传输速率基于菲克定律获取,即:
其中Jz=0指气泡液膜内侧边界处氢气传质通量,mol/m2;DL为氢气在渣油中的液相扩散系数,m2/s;
CH *为气液界面处氢气饱和浓度,mol/m3;
C* H=Pm/HA (8)
其中Pm为操作压力,Pa;HA为亨利系数,Pa.m3/mol;
将方程(5)~(8)代入方程(2)后得:
(3)获取基于压力传输的氢气质量传递;
压力输氢量NP及其极限值均由Henry定律决定,与渣油液相主体体积VL、操作压力Pm及渣油平均停留时间te有关,假定NP为极限溶解量,即:
Np=VL×CH * (10)
当渣油的摩尔质量为M1kg/mol时,CH *与渣油中氢气的摩尔分数x有如下关系:
其中,ρL为渣油密度,kg/m3;
由方程(4)、(9)、(11)得:
(4)获取氢分子总传输量;
由方程(1)(9)(12)得:
本发明的另一目的在于提供上述方法构建的MIHA纯气动操作条件下氢气传输调控模型。
本发明的又一目的在于提供上述方法设计的反应器。
本发明的反应器结构可参见发明人在先申请的专利CN106187660A,本发明中不再赘述。本发明中利用构建的模型反应器结构、体系物性以及操作参数对氢气传输的影响,从而可基于氢气传输效果进行相关的反应器结构参数设计。
本发明的方法针对MIHA建立了纯气动操作条件下氢气传输调控模型,考虑了两种输氢机制对氢气传输量的影响,建立的模型综合反映了反应器结构、体系物性、操作参数等对氢气传输的影响,可用于预测氢气传输量随反应器设计参数的变化,有利于MIHA反应器的设计和放大。
附图说明
图1是纯气动条件下操作压力Pm对单一界面传输量Na的影响;
图2是纯气动条件下气泡大小d32对单一界面传输量Na的影响;
图3是纯气动条件下操作压力Pm对单一压力输氢量NP的影响;
图4是纯气动条件下气泡大小d32对单一压力输氢量NP的影响;
图5是纯气动条件下输氢总量NT随操作压力Pm的变化关系;
图6是纯气动条件下输氢总量NT随气泡大小d32的变化关系。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步阐述。
实施例1
一种MIHA纯气动操作条件下氢气传输调控模型建模方法,包括如下步骤:
(1)分析MIHA纯气动操作条件下渣油加氢反应体系中氢气传输的影响参数;
假定在渣油加氢反应体系中,渣油的主要成分为含硫沥青质,其反应速率和转化率由体系液相中氢分子总传输量NT决定;基于压力传输和界面传输两种机制确定氢气在反应器内的质量传递;
NT=Na+Np (5)
其中Na为界面传输量,mol;Np为压力传输量,mol;
(2)获取基于界面传输的氢气质量传递;
假定体系中氢气气泡大小均一,且通过相界面的传输速率相同,那么,通过气液相界面所传输的氢分子总量Na由体系中稳定存在的气泡总数量n0、及渣油在反应器内的平均停留时间te所决定,如方程(2)所示:
通过对渣油在反应器内的运动过程分析,渣油平均停留时间te表示为:
其中,VL为渣油液相主体体积,m3;QL为新鲜渣油流量,m3/s;
VL由氢气-渣油两相相对运动决定,通过对气液两相运动的分析后得:
H0为反应器高度,m;S0为反应器横截面积,m2;v32为气泡上升速度,m/s;
将式(4)代入式(3)得:
体系中稳定存在的气泡总数量n0由气体体积守恒及气泡运动分析得到,即:
其中QG为氢气流量,m3/s;d32为气泡Sauter平均直径,m;
相界面的传输速率基于菲克定律获取,即:
其中Jz=0指气泡液膜内侧边界处氢气传质通量,mol/m2;DL为氢气在渣油中的液相扩散系数,m2/s;
CH*为气液界面处氢气饱和浓度,mol/m3;
其中Pm为操作压力,Pa;HA为亨利系数,Pa.m3/mol;
将方程(5)~(8)代入方程(2)后得:
(3)获取基于压力传输的氢气质量传递;
压力输氢量NP及其极限值均由Henry定律决定,与渣油液相主体体积VL、操作压力Pm及渣油平均停留时间te有关,假定NP为极限溶解量,即:
Np=VL×CH * (10)
当渣油的摩尔质量为M1kg/mol时,CH *与渣油中氢气的摩尔分数x有如下关系:
其中,ρL为渣油密度,kg/m3;
由方程(4)、(9)、(11)得:
(4)获取氢分子总传输量;
由方程(1)(9)(12)得:
实施例2
本实施例基于实施例1的建模方法,针对具体的反应器结构和反应体系研究纯气动条件下操作条件、气泡尺度对氢气传输的影响。反应器内气泡尺度受反应器结构、物性参数、操作条件影响,其在纯气动操作条件下的调控模型可参考申请人的在先专利CN109684769A。
计算条件如下:
反应器设计参数:
反应器高度H0=4.0m;反应器横截面积S0=0.0013m2;
渣油密度ρL=800Kg/m3;渣油的摩尔质量M1=0.416kg/mol;
操作压力Pm=0-25MPa;
新鲜渣油流量QL=5.83×10-7m3/s;氢气流量QG=5.56×10-4m3/s;
结果如图1~6所示。
图1和图2反映了渣油加氢体系中气泡尺度和操作压力对界面输氢量的影响。
由图1可看出,当气泡直径为毫米级时(如1.0mm和3.0mm),界面输氢量随操作压力的增大而增加的趋势不显著;但当气泡直径为微米级(小于1.0mm)时,该趋势随气泡尺度的减小而愈加显著。图2亦体现了该变化规律。由图1还可知,当操作压力较小(如小于3.0MPa)时,气泡尺度对界面输氢量的影响较为复杂。
图3和图4反映了渣油加氢体系中气泡尺度和操作压力对压力输氢量的影响。
由图3可知,当体系中气泡直径为0.05mm时,操作压力由常压增至25MPa时,压力输氢量增加值约1.0mol,此时增大操作压力对于体系氢传输量的增加几乎可以忽略;但是,当气泡直径增大至3.0mm时,压力输氢量增加约9.0mol,增幅是常压时数十倍。由此可见,对于微米级气泡,升高操作压力对压力输氢量的影响不大。
由4图可知:当操作压力一定时,随着体系中气泡尺度的增大,压力输氢量呈三个不同的变化趋势:当气泡尺度约小于0.10mm或大于0.30mm时,气泡尺度对压力输氢量的影响较小;当气泡尺度介于0.10和0.30mm之间时,压力输氢量随气泡尺度的增大呈快速增加的趋势。当体系中气泡尺度一定时,压力输氢量随操作压力的增大而增大。
图5体现当渣油加氢体系中气泡尺度不同时,操作压力对体系输氢总量的影响。由此图可知:当体系中气泡尺度一定时,体系输氢总量随操作压力的增大而增加;当操作压力一定时,体系输氢总量随气泡尺度的增大而减小,该趋势当操作压力大于5.0MPa时是确定的,但当操作压力小于5.0MPa时,该趋势则较为复杂。图6也体现了这一变化趋势。由图5和图6还可知,当体系中气泡分别为微米级和毫米级时,前者输氢总量远大于后者。
由图1~6的结果可知,当渣油加氢体系中气泡尺度为毫米级时,升高操作压力有利于界面输氢和压力输氢量的增加,从而使体系氢传输总量增加;当渣油加氢体系中气泡尺度为微米级时,界面输氢量决定了体系中氢传输总量,其大小受操作压力的影响较小,也即,若在能形成微界面体系,则体系反应所需氢的量可以在较低操作压力下由界面输氢过程提供。
Claims (3)
1.一种MIHA纯气动操作条件下氢气传输调控模型建模方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)分析MIHA纯气动操作条件下渣油加氢反应体系中氢气传输的影响参数;
假定在渣油加氢反应体系中,渣油的主要成分为含硫沥青质,其反应速率和转化率由体系液相中氢分子总传输量NT决定;基于压力传输和界面传输两种机制确定氢气在反应器内的质量传递;
NT=Na+Np (1)
其中Na为界面传输量,mol;Np为压力传输量,mol;
(2)获取基于界面传输的氢气质量传递;
假定体系中氢气气泡大小均一,且通过相界面的传输速率相同,那么,通过气液相界面所传输的氢分子总量Na由体系中稳定存在的气泡总数量n0、及渣油在反应器内的平均停留时间te所决定,如方程(2)所示:
通过对渣油在反应器内的运动过程分析,渣油平均停留时间te表示为:
其中,VL为渣油液相主体体积,m3;QL为新鲜渣油流量,m3/s;
VL由氢气-渣油两相相对运动决定,通过对气液两相运动的分析后得:
H0为反应器高度,m;S0为反应器横截面积,m2;v32为气泡上升速度,m/s;
将式(4)代入式(3)得:
体系中稳定存在的气泡总数量n0由气体体积守恒及气泡运动分析得到,即:
其中QG为氢气流量,m3/s;d32为气泡Sauter平均直径,m;
相界面的传输速率基于菲克定律获取,即:
其中Jz=0指气泡液膜内侧边界处氢气传质通量,mol/m2;DL为氢气在渣油中的液相扩散系数,m2/s;
CH *为气液界面处氢气饱和浓度,mol/m3;
其中Pm为操作压力,Pa;HA为亨利系数,Pa.m3/mol;
将方程(5)~(8)代入方程(2)后得:
(3)获取基于压力传输的氢气质量传递;
压力输氢量NP及其极限值均由Henry定律决定,与渣油液相主体体积VL、操作压力Pm及渣油平均停留时间te有关,假定NP为极限溶解量,即:
Np=VL×CH * (10)
当渣油的摩尔质量为M1 kg/mol时,CH *与渣油中氢气的摩尔分数x有如下关系:
其中,ρL为渣油密度,kg/m3;
由方程(4)、(9)、(11)得:
(4)获取氢分子总传输量;
由方程(1)(9)(12)得:
2.权利要求1所述方法构建的MIHA纯气动操作条件下氢气传输调控模型。
3.权利要求1所述方法设计的反应器。
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Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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